Bijna alle apparaten die wij gebruiken, bevatten een printplaat vol piepkleine onderdeeltjes. Achter de vaak eenvoudige werking van het apparaat gaat een complex netwerk aan elektronica schuil. Dit is de wereld van chips, weerstanden, transistoren en condensatoren, die op de juiste manier aan elkaar geknoopt zijn om het apparaat goed te laten functioneren.

Na een lang traject van het ontwerp van een printplaat, het testen van de prototypes, en vervolgens herontwerpen, kan de plaat uiteindelijk in massaproductie. In de fabriek legt de plaat een traject af langs verschillende machines die de onderdeeltjes volautomatisch op de juiste plek aanbrengen. In zo’n ‘pick-and-place-machine’ beweegt echter wel steeds een slede heen en weer van zo’n zestig kilo. Dat kost veel tijd en vooral energie. En dat allemaal voor onderdeeltjes die minder dan een gram wegen. Alsof je met een kanon op een mug schiet. Komt nog bij dat steeds dikke bundels elektrische kabels met de slede meebewegen. Die zorgen voor extra traagheid en onnauwkeurigheid. En erger nog: doordat de kabels honderdduizenden keren per week dubbelgevouwen worden, gaan ze vrij snel kapot.

Printplaten zitten vol piepkleine onderdeeltjes als chips, weerstanden en condensatoren.

Draadloos is beter
Dat moet beter kunnen, dachten onderzoekers uit de groep Electromechanics and Power Electronics van de faculteit Elektrotechniek. En ‘beter’ betekent hier: draadloos. Zwevend en zonder zware kabelbundels en mechanische geleiding zou de slede veel lichter, sneller en compacter zijn. Daarnaast wordt ook werken in vacuüm mogelijk, een belangrijk pluspunt voor veel producenten van elektronica.

De vraag was dus: hoe maak je een draadloze pick-and-place-robot? De Boeij en voorgangers haalden hun inspiratie uit de magneetzweeftreinen, die in China en Duitsland rondrijden. Deze treinen ondervinden nauwelijks wrijving, doordat ze zweven op een magnetisch veld. Dit principe heet magnetische levitatie, afgekort maglev. Hiermee had De Boeij overigens al ervaring. Een paar jaar geleden deed hij zijn afstudeerproject aan het Florida Institute of Technology. Daar werkte hij aan een lanceerbaan voor snelle vliegtuigen, gebaseerd op het maglev-principe. Naast lage wrijving is een ander sterk punt van maglev namelijk dat zeer hoge versnellingen mogelijk zijn.

Terug naar de draadloze robot. De Boeij’s voorgangers lieten een metalen plaat achter, die dankzij de magneten aan de onderkant anderhalve millimeter boven een raamwerk van verticale spoelen zweeft. De promovendus bouwde verder aan het ontwerp en zorgde ervoor dat de plaat via een secundaire spoel ook energie uit deze spoelen kan ontvangen. “Stuur je exact op het juiste moment een stroom door de juiste spoelen, dan beweegt de robot de gewenste richting op”, legt De Boeij uit. “Dat klinkt misschien eenvoudig, maar daarvoor had ik een hoop ingewikkelde regeltechniek nodig.”

Om uiteindelijk echt elektronicaonderdelen te kunnen gaan plaatsen, moet de draadloze robot ook instructies krijgen. Voor dit doel ‘kraakte’ De Boeij een standaard WiFi-verbinding. “Om de robot goed te laten werken, moet je hem een paar duizend keer per seconde bijsturen. Daarvoor hebben we de datapakketjes van standaard WiFi veel kleiner gemaakt. Ook hebben we gespeeld met de foutcorrectie. Bij WiFi worden datapakketjes die fout gaan, nog een keer verstuurd. Dat is fijn wanneer je een mp3-tje downloadt, maar wij hebben daar geen tijd voor.”

Brede blik
Het promotieonderzoek vroeg duidelijk om een techneut met een brede blik. De Boeij combineerde in zijn ontwerp dan ook elementen uit zowel de werktuigbouwkunde als de elektrotechniek. “Alle onderdelen van het prototype hebben mechanische eigenschappen zoals massa’s en stijfheden. Voor de aansturing hiervan maak je juist gebruik van elementen uit de elektrotechniek, zoals spoelen en vermogenselektronica. Toen dit complexe systeem na lang puzzelen voor het eerst werkte, stond ik echt met mijn armen omhoog te juichen.”

De elektrotechnici hebben nu laten zien dat het principe van de zwevende robot werkt. De pick-and-place-robot zou draadloos en dus snel en nauwkeurig onderdeeltjes op een printplaat kunnen prikken. Maar ook andere toepassingen liggen in het verschiet: het positioneren van silicium plakken of het inkjetten van plastic elektronica.

Voor De Boeij zit het werk er nu op. Vandaag, donderdag 29 januari promoveert hij. Nu is het aan bedrijven in de elektronicabranche om deze techniek in hun machines te gaan verwerken. Zodat printplaten uiteindelijk nóg sneller gevuld kunnen worden, en de apparaten om ons heen weer wat goedkoper kunnen worden. Door de afwezigheid van stroomkabels maakt de draadloze robot ook het gebruik van kleinere onderdelen mogelijk. Dit kan bijvoorbeeld leiden tot compactere consumentenelektronica./.

Zie de zwevende robot in actie op www.deboeij.com.